(57)【要約】  【課題】イオン交換器を使用しなくても高濃度のイオンが排出されるのを抑制する固体高分子電解質型燃料電池の制御装置の提供。  【解決手段】固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)の制御装置は、ＰＥＦＣから排出される、イオンを含む生成水を貯留する気液分離器と、気液分離器内に貯留された水を該気液分離器の外部へ排出する排出手段と、気液分離器内に貯留された水の量とＰＥＦＣの運転状態とから、この貯留された水に含まれるイオンの濃度を推定する濃度推定手段と、濃度推定手段により推定されたイオンの濃度が所定濃度以上のときに前記排出手段による水の排出を禁止する排出禁止手段とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
2006269156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質型燃料電池から排出される、イオンを含む生成水を貯留する気液分離器と、
前記気液分離器内に貯留された水を該気液分離器の外部へ排出する排出手段と、
前記気液分離器内に貯留された水の量と前記固体高分子型燃料電池の運転状態とから、この貯留された水に含まれるイオンの濃度を推定する濃度推定手段と、
前記濃度推定手段により推定されたイオンの濃度が所定濃度以上のときに前記排出手段による水の排出を禁止する排出禁止手段と、
を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の制御装置。
【請求項２】
前記濃度推定手段は、
前記固体高分子電解質型燃料電池の発電量を算出する手段と、
前記気液分離器内に貯留された水の量を測定する手段と、
前記固体高分子電解質型燃料電池の発電量とこの発電量に応じた生成水中のイオン濃度との関係を示すデータを記憶した記憶手段と、
算出された発電量，測定された水量，及び前記データを用いて前記貯留された水に含まれるイオン量を算出し、算出したイオン量と前記水量とから前記貯留された水に含まれるイオン濃度の推定値を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池の制御装置。
【請求項３】
固体高分子電解質型燃料電池から排出される、イオンを含む生成水を貯留する気液分離器と、前記気液分離器内に貯留された水を該気液分離器の外部へ排出する排出手段とを含む固体高分子電解質型燃料電池の制御装置において、
前記気液分離器内に貯留された水の量と前記固体高分子型燃料電池の運転状態とから、この貯留された水に含まれるイオンの濃度を推定し、
推定されたイオンの濃度が所定濃度以上のときに前記排出手段による水の排出を禁止する
ことを含むことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の制御装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)は、電解質に水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜を用いている。ＰＥＦＣに対する負荷、運転状態、その他の条件によって、燃料電池の発電時に生成される生成水中に電解質膜からのフッ素化合物(例えばフッ酸)やフッ素イオンが溶出することがある。フッ素化合物やフッ素イオンは、生成水の排出経路を構成する金属配管から金属イオンが生成水中に溶出(金属配管が例えばステンレス(ＳＵＳ)であれば、Ｆｅ(鉄)，Ｎｉ(ニッケル)，Ｃｒ(クロム)等)する要因の一つとなる。
【０００３】
本発明に関連する先行技術文献として、燃料電池の生成水中に含まれているフッ素等のイオンを除去するイオン交換樹脂を燃料電池システム内に配置することを開示したものがある(例えば、特許文献１参照)。また、先行技術文献として、下記の特許文献２に開示された発明がある。
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたイオン交換樹脂は寿命を有するため、長期間にわたって燃料電池システムが使用される場合にはイオン交換樹脂の交換を要する。また、特許文献１では、イオン交換樹脂に生成水を通してイオンを除去する構成が開示されているが、寿命により機能低下したイオン交換樹脂を通じた生成水を外部に排出するようにすると、イオン濃度が高い生成水が排出されてしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、イオン交換樹脂を使用しなくても高濃度のイオンを含む生成水が排出されるのを抑制できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。
【０００７】
すなわち、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の制御装置であり、
固体高分子電解質型燃料電池から排出される、イオンを含む生成水を貯留する気液分離器と、
前記気液分離器内に貯留された水を該気液分離器の外部へ排出する排出手段と、
前記気液分離器内に貯留された水の量と前記固体高分子型燃料電池の運転状態とから、この貯留された水に含まれるイオンの濃度を推定する濃度推定手段と、
前記濃度推定手段により推定されたイオンの濃度が所定濃度以上のときに前記排出手段による水の排出を禁止する排出禁止手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、濃度推定手段が、気液分離器内に貯留された水の量と固体高分子燃料電池の運転状態とから水中のイオン濃度を推定する。排出禁止手段は、イオン濃度が所定濃度以上である場合には、排出手段から貯留された水が排出されるのを禁止する。これによって、イオン交換樹脂を使用しなくても、高濃度のイオンを含む水が気液分離器外に排出されるのを防止できる。
【０００９】
本発明の濃度推定手段は、
前記固体高分子電解質型燃料電池の発電量を算出する手段と、
前記気液分離器内に貯留された水の量を測定する手段と、
前記固体高分子電解質型燃料電池の発電量とこの発電量に応じた生成水中のイオン濃度との関係を示すデータを記憶した記憶手段と、
算出された発電量，測定された水量，及び前記データを用いて前記貯留された水に含まれるイオン量を算出し、算出したイオン量と前記水量とから前記貯留された水に含まれるイオン濃度の推定値を算出する手段と、
を含むように構成することができる。
【００１０】
本発明は、気液分離内に存する、水分を含むガスを冷却する冷却手段をさらに備えるようにしても良い。この場合には、冷却手段によりガス中の水分が液化して気液分離器内に貯留されるので、気液分離器内に貯留した水のイオン濃度の低下を図ることができる。
【００１１】
また、本発明は、上述した制御装置と同様の特徴を有する方法の発明、コンピュータに対し、少なくとも上記運転状態の算出、水量の測定、イオン濃度の推定、及び濃度比較に基づく水の排出禁止制御を実行させるプログラムの発明としても特定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、イオン交換樹脂を使用しなくても高濃度のイオンを含む水が排出されるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１４】
〈燃料電池システムの構成例〉
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用されている。燃料電池１は、複数のセルが積層されてなるセルスタック構造を持つ。
【００１５】
セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとからなる。
【００１６】
燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。
【００１７】
一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応により水が生成される。
【００１８】
このような燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される図示しない負荷に対する電力として使用される。
【００１９】
燃料電池１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。図１において、燃料供給／排出系は次のように構成されている。
【００２０】
すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口１Ａは、水素源(例えば、高圧水素を貯留したタンク)２及び調圧弁３と配管４を介して接続されている。一方、燃料電池１に設けられた燃料出口１Ｂは、配管５を介して、燃料ガスの気液分離器６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、燃料入口１Ａと燃料出口１Ｂとを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路１Ｃが設けられている。
【００２１】
燃料気液分離器６の気体側出口は、配管７を介して、モータにより駆動する循環ポンプ８の入口に接続されている。循環ポンプ８の出口には配管９が設けられており、配管９は、逆止弁１０を介して配管４に接続されている。また、配管９には、排気管１１及び排気弁１２が配置されている。排気弁１２から排出されるガスは図示せぬ希釈器を通って水素濃度が薄められた後、外部に排出される。
【００２２】
以上の構成において、燃料ガスが通過する配管のうち、配管５、気液分離器６、配管７、配管９は、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の材質で構成されている。
【００２３】
このような燃料供給／排出系の構成によれば、水素源２から送り出される高圧の水素ガス(燃料ガス)は、調圧弁３で調圧された後、配管４を通って燃料入口１Ａから燃料電池１内に入り、燃料通路１Ｃを通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、燃料極を通過した水素ガスは、燃料オフガスとして燃料出口１Ｂから配管５(燃料電池１の外部)へ排出され、気液分離器６へ送られる。
【００２４】
気液分離器６では、燃料オフガスが気相成分と液相成分とに分離され、気相成分は配管７を通って循環ポンプ８により再び配管４に供給される。このように、燃料電池１に供給される燃料ガスが循環するように構成されている。さらに、調圧弁３及び排気弁１１の開閉制御により、燃料ガスの濃度が適正な範囲で保たれるように構成されている。
【００２５】
一方、図１において、酸化剤供給／排出系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口１Ｄは、配管１３を介してエアコンプレッサ１４に接続されている。配管１３上には図示せぬ加湿器が設けられている。また、燃料電池１に設けられた酸化剤出口１Ｅは、配管１５を介して酸化剤ガスの気液分離器１６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、酸化剤入口１Ｄと酸化剤出口１Ｅとを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１Ｆが設けられている。さらに、気液分離器６の液相成分の出口は、ドレン弁を介して配管１７の一端に接続されており、配管１７の他端は配管１５に接続されている。
【００２６】
このような酸化剤供給／排出系の構成によれば、エアコンプレッサ１４のモータによる駆動により、酸化剤ガスとしての空気が配管１３を介して燃料電池１に供給される。このとき空気は図示せぬ加湿器により湿気を含んだ状態となっている。空気は酸化剤入口１Ｄから燃料電池１内に入り、酸化剤通路１Ｆを通過する際に、空気極にて電極反応に消費される。また、空気中の湿気で固体高分子電解質膜が加湿される。その後、空気極を通過した空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口１Ｅから配管１５(燃料電池１の外部)に排出される。配管１５に送り出された酸化剤オフガスは、配管１７から合流する液相成分とともに気液分離器１６へ導入される。
【００２７】
気液分離器１６では、気相成分と液相成分との分離が行われる。気相成分は、気相成分出口１６Ａから排出され、図示せぬ希釈器を通り、濃度が薄まった状態で外部に排出され
る。液相成分は、液相成分出口(ドレン)１６Ｂから排出され、回収される。
【００２８】
ところで、燃料電池１では、空気極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は、固体高分子電解質膜を通じて空気極から燃料極に到達する。固体高分子電解質膜には、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ酸(フッ素イオン)が溶出することがある。
【００２９】
燃料極へ到達した生成水は、燃料ガスとともに、燃料電池１の外部(配管５)に排出される。このとき、燃料電池１から排出される生成水中のフッ素イオンは、配管５等を構成する金属と反応し金属イオン(ステンレス(ＳＵＳ)であれば、鉄(Ｆｅ)，ニッケル(Ｎｉ)，クロム(Ｃｒ)等の各イオン)が溶出する要因となることがある。生成水は、気液分離器６で液相成分として燃料オフガスから分離され、配管１７、１５を通じて気液分離器１６に導入される。
【００３０】
本発明の実施形態は、生成水中に溶出したイオン濃度をイオン交換樹脂を用いることなく低下させて外部に排出可能とする構成について例示する。ここでは、イオンとして、生成水中に溶出するフッ素イオンや金属イオン等のイオンを例示する。
【００３１】
〈気液分離器の構成〉
図２は、図１に示した燃料ガスの気液分離器６の構成例を示す図である。図２において、気液分離器６は、底部が漏斗状に形成され、上部が閉塞された円筒形状を有している。気液分離器６の側面には、配管５が取り付けられ、配管５の内部空間と気液分離器６の内部空間とが連通している。
【００３２】
また、気液分離器６の上部には、配管７が取り付けられ、配管７の内部空間が気液分離器６の内部空間と連通する状態となっている。さらに、気液分離器６の底部には、ドレン管２１が連結され、ドレン管２１の内部空間は気液分離器６の内部空間に連通している。ドレン管２１はドレン弁(電磁弁)２２の入口に接続されている。ドレン弁２２の出口は、配管１７に連結されている。
【００３３】
配管５は、燃料電池１から排出された生成水を含む燃料オフガスを、気液分離器６の接線方向から気液分離器６内に導入するように取り付けられている。これによって、気液分離器６内に導入された燃料オフガスは、気液分離器６の内周面に沿って旋回する。このとき、比重の重い液相成分(生成水)は、気液分離器６内の底部に溜まり、比重の軽い気相成分(燃料オフガス)は、配管５から導入される燃料オフガスに押し出されるようにして配管７から排出される。気液分離器６の底部に移動した生成水は、ドレン弁２２が閉弁状態の間、気液分離器６内に貯留され、ドレン弁２２の開弁により配管１７へ排出される。
【００３４】
気液分離器６の内部空間には、ラジエータ２３及び循環ポンプ２４を通って循環する冷媒の循環路２５の一部が配置されている。冷媒はモータによる循環ポンプ２４の駆動により循環し、ラジエータ２３を通過する際に冷却され、気液分離器６内で燃料オフガスから熱を奪い、再びラジエータ２３で冷却される。このように、ラジエータ２３、循環ポンプ２４及び循環路２５からなる冷却手段を設けることにより、気液分離器６内の燃料オフガスは、冷媒との熱交換により冷却され、燃料オフガス中の水蒸気が水となり気液分離器６内の底部に溜まる。
【００３５】
気液分離器６内には、その底部に貯留される水(生成水)の水位を検知する水位センサ(レベルセンサ)２６が配置されており、水位センサ２６の出力は、気液分離器６の外部に配置された制御手段としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit)２７に入力されるように構成されている。
【００３６】
ＥＣＵ２７は、中央演算処理装置(ＣＰＵ)等のプロセッサ、メモリ(ＲＡＭやＲＯＭ等：記憶手段)、入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)等から構成されており、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行する。プログラムの実行により、ＥＣＵ２７は、水位センサ２６の出力から得られる気液分離器６内に貯留された水量、及びＥＣＵ２７で計算される燃料電池１の運転状況(燃料電池１の発電量)を用いて、気液分離器６内に貯留された水に含まれる不純物(イオン)の濃度を推定し、その推定結果に応じてドレン弁２２及び循環ポンプ２４の動作を制御する。
【００３７】
〈ＥＣＵ２７による処理〉
図３は、図２に示したＥＣＵ２７による処理の例を示すフローチャートである。図３に示す処理は、その開始時において、ドレン弁２２が閉弁されており、気液分離器６内に水は溜まっていないことを想定している。また、循環ポンプ２４はオフであることが想定されている。
【００３８】
図３において、最初に、ＥＣＵ２７は、燃料電池１の運転状況として燃料電池１の発電量を算出する(ステップＳ０１)。ＥＣＵ２７は、燃料電池１に負荷として接続された図示せぬ電流計で測定される燃料電池１の電流値を受け取るように構成されており、所定の単位時間(時間区間)あたりの発電量を算出する。ＥＣＵ２７は、算出された発電量をメモリに格納する。
【００３９】
次に、ＥＣＵ２７は、気液分離器６内に貯留された水の水位(水量)を測定する(ステップＳ０２)。即ち、ＥＣＵ２７は、水位センサ２６の出力を用いて気液分離器６内に貯留された水の水量を算出する。
【００４０】
次に、ＥＣＵ２７は、ステップＳ０１で算出した発電量と、ステップＳ０２で測定した気液分離器６内の水量とから、気液分離器６に貯留された水中の不純物(イオン)の濃度を推定する(ステップＳ０３)。
【００４１】
本願出願人は、実験の結果、燃料電池負荷(発電量)とイオン(フッ素イオン・金属イオン)濃度との間には、図４のグラフに示すような相関関係があることを見い出している。図４に示されるように、イオン濃度は、燃料電池負荷が高くなるほど低下し、その間に環境目標値とされる濃度を下回る。
【００４２】
図４に示されるイオン濃度は、生成水中をイオンが占める割合である。このことは、燃料電池負荷(発電量)に応じて燃料電池１から排出される生成水の量が決まることを示している。燃料電池１から排出される生成水(イオンを含む)は、上記したように、配管５を通って気液分離器６の底部に溜まる。
【００４３】
従って、ステップＳ０１で対象とした単位時間(時間区間)内に燃料電池１から排出された生成水がステップＳ０２における測定のタイミングにおいて気液分離器６内に貯留されていると仮定すれば、ステップＳ０１で算出された発電量と、ステップＳ０２で測定された水量とから貯留された水に含まれる不純物(イオン)の量が決まる。不純物量が決まれば貯留された水に含まれる不純物の濃度も決まる。
【００４４】
ＥＣＵ２７を構成するメモリ上には、図４に示すような燃料電池負荷とイオン濃度との相関関係を示す関数データが予め記憶されている。ＥＣＵ２７は、ステップＳ０１及びＳ０２で夫々求めた発電量及び水量を関数に当てはめてイオン量を算出し、このイオン量と水量とから求まるイオン濃度を推定濃度として算出する。このようにして、気液分離器６内に貯留された水中のイオン濃度が推定される。
【００４５】
燃料電池１から排出された生成水が配管５を経て気液分離器６の底部に到達するには或る程度の時間を要する。このため、図１に示した配管５の長さは可能な限り短く構成されるのが好ましい。また、生成水の移動速度を促進すべく、循環ポンプ８(図１)の出力を調整することが考えられる。さらに、ステップＳ０２における水量の測定タイミングが、発電量計算の基となった単位時間(時間区間)に排出された生成水の全てが気液分離器６内の底部に溜まってから開始されるように調整されることも考えられる。
【００４６】
次に、ＥＣＵ２７は、ステップＳ０３で算出された推定濃度が所定の規定値(所定濃度：メモリ上に予め用意されている)以上か否かを判定する(ステップＳ０４)。このとき、推定濃度が規定値を上回っていない場合(Ｓ０４；ＮＯ)には、推定濃度が水の排出に適した濃度であるものとして、処理がステップＳ０９に進む。一方、推定濃度が規定値を上回っている場合(Ｓ０４；ＹＥＳ)には、推定濃度が水の排出に適した濃度でないものとして、処理がステップＳ０５に進む。
【００４７】
ステップＳ０５では、ＥＣＵ２７は、ステップＳ０３で算出された推定濃度(イオン量)を基に、水中のイオン濃度が排出に適した値まで希釈化されるに必要な気液分離器６内の水位(「排出水位」と称する)を算出する。
【００４８】
次に、ＥＣＵ２７は、循環ポンプ２４の動作(モータ駆動)をオンにして、気液分離器６内の燃料オフガスの冷却を開始する(ステップＳ０６)。これにより、燃料オフガス中の水蒸気が冷却されて水となり、気液分離器６内の底部に溜まる。これによって、気液分離器６内の水位が排出水位にまで到達することが促進される。
【００４９】
次に、ＥＣＵ２７は、水位センサ２６の出力から気液分離器６内の水位を測定し、当該水位が排出水位以上になっているか否かを判定する(ステップＳ０７)。このとき、水位が排出水位以上となっていれば(Ｓ０７；ＹＥＳ)、処理がステップＳ０８に進み、そうでない場合(Ｓ０７；ＮＯ)には、処理がステップＳ０１に戻る。
【００５０】
ステップＳ０８では、ＥＣＵ２７は、循環ポンプ２４の動作(モータ駆動)をオフにして、燃料オフガスの冷却を停止する。続いて、ＥＣＵ２７は、ドレン弁２２に制御信号を与えてドレン弁２２を開弁状態にし、気液分離器６内の水の排出を開始する(ステップＳ０９)。ステップＳ０８とＳ０９とは順序が逆であっても良い。
【００５１】
その後、ＥＣＵ２７は、水位センサ２６の出力を用いて気液分離器６内の水位を監視し、水位が所定水位(規定値)になるまで水の排出を継続する(ステップＳ０９，Ｓ１０のループ)。所定水位は、気液分離器６内に溜まった水が全て排出されたと認められる値としても良く、ステップＳ０３における濃度推定に影響を与えない程度の水が残る水位としても良い。もっとも、水を或る程度残し、この水に含まれた不純物の濃度が考慮されて次の濃度推定が行われるようにしても良い。
【００５２】
水の排出により水位が規定値になると(Ｓ１０；ＹＥＳ)、ＥＣＵ２７は、ドレン弁２２を閉弁する(Ｓ１１)。これにより、水の貯留が再開される。そして、処理がステップＳ０１に戻され、次の単位時間(時間区間)に対する処理が開始される。
【００５３】
一方、ステップＳ０７の判定で処理がステップＳ０１に戻された場合における処理は次のようになる。ステップＳ０１では、前のステップＳ０１で対象となった時間区間の次の時間区間を対象とした発電量が算出される。測定された発電量は、前のステップＳ０１で算出された発電量に加算される。
【００５４】
次のステップＳ０２では、水量が再測定される。その後、ステップＳ０３において、加算後の発電量(累積値)と、再測定された水量とに基づき、上記したステップＳ０３と同様の手法で、気液分離器６内に貯留された水に含まれるイオンの濃度が推定される(水が排出されていないため)。
【００５５】
そして、推定濃度が規定値以上か否かが判定される(Ｓ０４)。このとき、推定値が規定値以上でなければ(Ｓ０４；ＮＯ)、貯留された水(前回及び今回で対象となった時間区間で排出されたイオンを含む)が配管１７へ排出される(Ｓ０９，Ｓ１０，Ｓ１１)。
【００５６】
これに対し、推定濃度が規定値以上であれば、ステップＳ０５で新たな排出水位が算出される。その後、循環ポンプ２４は既にオンとなっているためステップＳ０６はスルーとなり、水位が新たな排出水位に達しているかが判定される(Ｓ０７)。ここで、水位が新たな排出水位に達していれば(Ｓ０７；ＹＥＳ)、循環ポンプ２４がオフにされ(Ｓ０８)、イオンを含む水が適正な濃度で配管１７に排出されることになる(Ｓ０９，Ｓ１０，Ｓ１１)。
【００５７】
これに対し、水位が新たな排出水位に達していなければ(Ｓ０７；ＮＯ)、処理がステップＳ０１に戻り、次の時間区間で気液分離器６内に到達するイオンが考慮された濃度推定、水の希釈、及び排水が行われることになる。
【００５８】
このように、図３に示す処理例では、気液分離器６内に溜まった水中のイオン濃度が推定され、推定濃度が規定値(所定濃度)以上であれば、排出に適した濃度になる(規定値を下回る)まで水の貯留が継続される(水の排出が禁止される)。このとき、冷媒の循環に伴う燃料オフガスの冷却によって水位上昇が促進されることにより、水位が短時間で排出水位となることが期待される。
【００５９】
ところで、固体高分子電解質膜からのフッ素の溶出量は、燃料極及び空気極に燃料ガス及び酸化剤ガスが滞留し、且つ燃料電池１が発電を停止している状態で最大となると考えられる。従って、燃料電池１からのフッ素イオンの排出量が最大となるのは、燃料電池１による発電開始(再開)直後と考えられる。
【００６０】
このような事情に鑑み、燃料電池１の発電が停止している場合(例えば、発電量が０又は所定値以下の場合)には、例えばＥＣＵ２７により、次のような制御が行われるようにする。すなわち、調圧弁３を閉弁した状態(水素が供給されない状態)で燃料ガスを循環ポンプ８で循環させるとともに、図示せぬ加湿器により加湿された酸化剤ガス(空気)が空気極通過の際に固体高分子電解質膜を加湿するようにする。さらに、循環ポンプ２４がオンとされ、気液分離器６内の燃料オフガスが冷却される状態とする。
【００６１】
このような構成とすれば、燃料ガスの供給／排出系を循環する燃料ガスが燃料極で固体高分子電解質膜から水分を得た後に気液分離器６に到達し、冷却されることで、水が気液分離器６に貯留されることになる。これによって、発電開始直後に生成水とともに燃料電池１から排出される比較的多量のフッ素イオンを早期に希釈化して排出することが可能となる。
【００６２】
〈実施形態の効果〉
上述した本発明の実施形態によれば、図１に示す燃料電池システムでは、気液分離器６が、ＰＥＦＣたる燃料電池１から排出される、不純物としてのイオンを含む生成水を貯留する。気液分離器６には、ドレン管２１を介してドレン弁２２が接続されており、ドレン弁２２は、その開弁により気液分離器６内に貯留された水を排出する生成水の排出手段として機能する。ＥＣＵ２７は、図３に示した処理を実行することにより、気液分離器６内
に貯留された水の量と燃料電池１の運転状態(発電量)とから、この貯留された水に含まれるイオンの濃度を推定する濃度推定手段、及び推定されたイオン濃度が所定濃度以上のときにドレン弁２２による水の気液分離器６の外部への排出を禁止する排出禁止手段として機能する。
【００６３】
これらによって、気液分離器６がイオン交換器(イオン交換樹脂)を備えていなくても、高濃度の不純物(イオン)が含まれる生成水がその外部に排出されることを抑制することができる。また、気液分離器６内の水量と燃料電池１の発電量とからイオン濃度を推定するので、イオン濃度が規定値以上か否かを判断するために濃度センサを備える必要がない。
【００６４】
〈変形例〉
上述した実施形態は、次の変形が可能である。図２に示した構成例では、燃料オフガスを冷却する冷媒の循環路２５の一部が気液分離器６の内部に配置される構成とした。このような構成に代えて、図５に示すように、冷媒(冷却水)の循環路２５Ａが、気液分離器６を取り巻くようにして配置されるように構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明を適用可能な燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態の構成例を気液分離器を中心として示した図である。
【図３】図３は、図２に示したＥＣＵによる処理例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池負荷(発電量)とイオン濃度との相関関係を示すグラフである。
【図５】図５は、図２に示した構成例の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・燃料電池(ＰＥＦＣ)
６・・・気液分離器
２２・・・ドレン弁(排出手段)
２７・・・ＥＣＵ(濃度推定手段，排出禁止手段)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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